雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)胎側(cè)膠性能的影響

隋志華，郝英杰，孫作棟，邱 健，閆理智，朱東林，李 利，汪傳生，邊慧光

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

輪胎胎側(cè)膠是指胎側(cè)外簾布層上的膠層，其作用是防止胎體受機(jī)械損傷、氧化及潮濕[1-2]。為了降低胎側(cè)膠的龜裂等級(jí)，常用的方法是在胎側(cè)膠中并用順丁橡膠及加入環(huán)保芳烴油[3]和防護(hù)蠟[4]等助劑，但這也在不同程度上提高了輪胎的成本，因此需要一種低成本并且可以用于規(guī)?；a(chǎn)的方法來(lái)提高胎側(cè)膠的性能。

清除膠料中的雜質(zhì)可以有效改善膠料的性能，傳統(tǒng)的橡膠濾膠機(jī)利用螺桿的推擠和輸送作用去除膠料中的雜質(zhì)[5]。橡膠濾膠機(jī)中常見的過(guò)濾裝置有以下幾種：帶磁性的裝置可以有效去除膠料中的金屬顆粒雜質(zhì)[6]，在出料口兩側(cè)分別設(shè)置的可自動(dòng)更換過(guò)濾機(jī)頭的裝置可以有效過(guò)濾膠料，帶有扭力彈簧的過(guò)濾裝置適用于硅橡膠膠料的過(guò)濾[7]。雖然上述濾膠方法都取得了一定的進(jìn)展，但經(jīng)過(guò)過(guò)濾的膠料的性能仍有待提高。

齒輪泵是由兩個(gè)齒輪、泵體與前后蓋組成的兩個(gè)封閉空間，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪脫開側(cè)的空間體積增大，形成真空，將物料吸入，齒輪嚙合側(cè)的空間體積減小，將物料擠入管路中，從而給物料施加壓力[8-9]。

本工作設(shè)計(jì)一種雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機(jī)（見圖1），借助齒輪泵的增壓原理對(duì)胎側(cè)膠進(jìn)行擠出和過(guò)濾，并研究濾網(wǎng)孔徑對(duì)胎側(cè)膠性能的影響。

圖1 雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機(jī)Fig.1 Double drive synchronous rubber gear pump rubber filter

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

充油溶聚丁苯橡膠（SSBR，牌號(hào)1205）和順丁橡膠（BR，牌號(hào)2000），日本旭化成化學(xué)有限公司產(chǎn)品；白炭黑，索爾維（中國(guó)）化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅、促進(jìn)劑CBS和促進(jìn)劑DPG，阿拉丁試劑（上海）有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；防老劑4020，上海成錦化工有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，連云港銳巴化工有限公司產(chǎn)品；硫黃，巴斯夫（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品；國(guó)標(biāo)304不銹鋼濾網(wǎng)，上海嘉羽五金篩網(wǎng)有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

X（S）0.3型密煉機(jī)，青島科技大學(xué)產(chǎn)品；SK-168型開煉機(jī)，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；QLB-400×400×2型平板硫化機(jī)，青島亞?wèn)|橡機(jī)有限公司產(chǎn)品；MM4130C型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門尼粘度儀和TS2005b型拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計(jì)，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；RPA2000型橡膠加工分析（RPA）儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GABOMETER-150型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品；DH-2050QZ型德墨西亞屈撓龜裂試驗(yàn)機(jī)，弘浦儀器（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)配方

膠料的試驗(yàn)配方（用量/份）為：SSBR 103，BR 25，白炭黑 80，偶聯(lián)劑Si69 12.5，氧化鋅2.5，硬脂酸 2，防老劑4020 2，硫黃 1.4，促進(jìn)劑CBS 1.7，促進(jìn)劑DPG 2。

1.4 試樣制備

混煉膠采用兩段混煉工藝。一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，冷卻水溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為65 r·min-1，填充因數(shù)為 0.65，壓砣壓力為0.65 MPa，混煉工藝為：加入SSBR，塑煉25 s；加入BR，混煉40 s；加入2/3白炭黑，混煉30 s；加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑4020、偶聯(lián)劑Si69和剩余1/3白炭黑，混煉45 s，混煉膠溫度到達(dá)150 ℃時(shí)排膠。二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，輥溫為（50±5） ℃，混煉工藝為：加入一段混煉膠、促進(jìn)劑CBS、促進(jìn)劑DPG和硫黃，將輥距調(diào)至最小，薄通5次，在4 mm輥距下出片。

混煉膠停放24 h后，將其裁剪成寬度約為5 cm的膠條，在齒輪泵式濾膠機(jī)中進(jìn)行過(guò)濾，螺桿轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，齒輪泵轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，機(jī)筒溫度為70 ℃，齒輪泵溫度為70 ℃，膠料經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)一次過(guò)濾，將未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的膠料和經(jīng)過(guò)孔徑為0.250 mm（60 目），0.150 mm（100 目），0.100 mm（150目），0.075 mm（200目）和0.050 mm（300目）的濾網(wǎng)過(guò)濾的膠料分別記為1#—6#膠料，1#—6#膠料對(duì)應(yīng)的齒輪泵的出口壓力分別為10，13，16，20和25 MPa。

混煉膠在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，硫化條件為160 ℃/10 MPa×3t90。

1.5 測(cè)試分析

（1）門尼粘度。按照GB/T 1232.1—2016進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試3個(gè)平行樣，取平均值。

（2）硫化特性。按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為150 ℃。

（3）物理性能。硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試，拉伸性能和撕裂強(qiáng)度分別按照GB/T 528—2009和GB/T 529—2008進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試5個(gè)平行樣，取平均值。

（4）RPA分析。應(yīng)變掃描溫度為60 ℃，應(yīng)變掃描頻率為0.01 Hz，應(yīng)變范圍為0.28%～40%，測(cè)試3個(gè)平行樣，取中值。

（5）DMA分析。采用拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?%，靜態(tài)應(yīng)力為70 N，動(dòng)態(tài)應(yīng)變?yōu)?.25%，動(dòng)態(tài)應(yīng)力為60 N，溫度范圍為－65～65℃，升溫速率為2 ℃·min-1。

（6）耐屈撓性能。按照GB/T 13934—2006進(jìn)行測(cè)試，屈撓10萬(wàn)次，測(cè)試10個(gè)平行樣，記錄斷裂試樣的數(shù)量及未斷裂試樣的平均龜裂等級(jí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

混煉膠的門尼粘度和硫化特性見表1。

表1 混煉膠的門尼粘度和硫化特性Tab.1 Mooney viscosities and vulcanization characteristics of compounds

從表1可以看出：與未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的1#混煉膠相比，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的2#—6#混煉膠的門尼粘度增大，t10延長(zhǎng)，t90縮短，F(xiàn)max－FL增大；隨著濾網(wǎng)孔徑的增大，t10先延長(zhǎng)后縮短，t90先縮短后延長(zhǎng)，F(xiàn)max－FL先增大后減??；采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#混煉膠的t10最長(zhǎng)，加工安全性最好，t90最短，硫化反應(yīng)速度最快，F(xiàn)max－FL最大，交聯(lián)程度最高。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#混煉膠的橡膠大分子鏈排布更加均勻，有助于支鏈之間的結(jié)合，提高了硫化膠的交聯(lián)密度，而0.050 mm孔徑濾網(wǎng)的孔徑過(guò)小，在過(guò)濾膠料時(shí)會(huì)打亂橡膠大分子鏈排布，減小交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度，降低混煉膠的硫化特性。

2.2 物理性能

硫化膠的物理性能見表2。

表2 硫化膠的物理性能Tab.2 Physical properties of vulcanizates

從表2可以看出：與未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的1#硫化膠相比，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的2#—6#硫化膠的物理性能顯著提高；隨著濾網(wǎng)孔徑的增大，硫化膠的100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度均先增大后減??；與1#硫化膠相比，采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠的拉伸強(qiáng)度達(dá)到14.9 MPa，提高了33.0%，撕裂強(qiáng)度達(dá)到52 kN·m-1，提高了33.3%；與0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠相比，采用0.050 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的6#硫化膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度減小，但仍高于未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的硫化膠。這是因?yàn)椴捎?.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾時(shí)，膠料中的雜質(zhì)與團(tuán)聚的填料和小料等均被濾出，有利于提升硫化膠的物理性能，同時(shí)橡膠大分子鏈排布更加均勻，橡膠大分子鏈之間的范德華力增大，鏈段不易滑動(dòng)，這也使硫化膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度等在不同程度上增大；采用0.050 mm孔徑濾網(wǎng)也可以過(guò)濾掉膠料中的雜質(zhì)與團(tuán)聚的填料和小料等，但由于濾網(wǎng)的孔徑太小，過(guò)濾膠料的橡膠大分子鏈排布被打亂，導(dǎo)致硫化膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度減小。

2.3 RPA分析

硫化膠的儲(chǔ)能模量（G′）-應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 硫化膠的G′-應(yīng)變曲線Fig.2 G′-strain curves of vulcanizates

從圖2可以看出：經(jīng)過(guò)過(guò)濾的2#—6#硫化膠形成的填料網(wǎng)絡(luò)比未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的1#硫化膠更發(fā)達(dá)；隨著應(yīng)變的增大，硫化膠的G′呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)果符合Payne效應(yīng)。Payne效應(yīng)與填料網(wǎng)絡(luò)中橡膠大分子鏈的纏結(jié)相關(guān)，由于未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的硫化膠的橡膠大分子鏈分布雜亂且填料分布不均，所以其初始模量最高，而經(jīng)過(guò)過(guò)濾的硫化膠的初始模量顯著降低，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)過(guò)濾的硫化膠的橡膠大分子網(wǎng)絡(luò)為有序排布，這也有助于提高硫化膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠的初始模量最低，填料網(wǎng)絡(luò)化程度最高，Payne效應(yīng)最弱。

2.4 DMA分析

硫化膠在不同溫度范圍內(nèi)的損耗因子（tanδ）-溫度曲線如圖3所示。

圖3 硫化膠的tan δ-溫度曲線Fig.3 tan δ-temperature curves of vulcanizates

圖3 中曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的溫度為硫化膠的玻璃化溫度（Tg）。從圖3（b）可以看出，采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的硫化膠的曲線峰值最高，即Tg最高，這在于該硫化膠的橡膠大分子堆積緊密。

0 ℃時(shí)的tanδ可以用來(lái)表征硫化膠的抗?jié)窕阅?，tanδ越大，硫化膠的抗?jié)窕阅茉胶茫?0 ℃時(shí)的tanδ可以用來(lái)表征硫化膠的滾動(dòng)阻力，tanδ越小，硫化膠的滾動(dòng)阻力越小。實(shí)際生產(chǎn)中，輪胎的滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅鼙环Q為“魔鬼三角”，即對(duì)于一個(gè)輪胎而言，這3個(gè)性能不能同時(shí)改善，如果要改善其中1或2個(gè)性能，另一個(gè)性能必然變差。從圖3（c）和（d）可以看出，0和60 ℃時(shí)的tanδ從大到小均依次為1#，2#，3#，5#，6#和4#硫化膠，即采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠的抗?jié)窕阅芎蜐L動(dòng)阻力均較好。這是因?yàn)椴捎?.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的硫化膠的橡膠大分子鏈展開，橡膠大分子鏈由伸展恢復(fù)到蜷曲的過(guò)程中，其粘彈性增加，表現(xiàn)出較好的抗?jié)窕阅?，同時(shí)由于過(guò)濾掉膠料中的雜質(zhì)與團(tuán)聚的填料和小料增強(qiáng)了橡膠基體與填料之間的相互作用，從而降低了滾動(dòng)阻力。而采用0.050 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的6#硫化膠的橡膠大分子鏈排布被打亂，加劇了橡膠大分子鏈的蜷曲，導(dǎo)致硫化膠的粘彈性下降和橡膠基體與填料之間的相互作用減弱。

2.5 耐屈撓性能

硫化膠的耐屈撓性能見表3。

表3 硫化膠的耐屈撓性能Tab.3 Flexibility resistance of vulcanizates

從表3可以看出，采用0.070 mm 孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠的斷裂試樣最少，未斷裂試樣的平均龜裂等級(jí)與采用0.100 mm 孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的4#硫化膠相同，且最低，這是因?yàn)椴捎?.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的5#硫化膠的橡膠大分子鏈分布更均勻，橡膠大分子鏈之間的范德華力更大，硫化膠內(nèi)的雜質(zhì)與團(tuán)聚的填料和小料較少，從而提高了硫化膠的耐屈撓性能。

3 結(jié)論

（1）采用雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機(jī)過(guò)濾胎側(cè)膠，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的膠料的性能優(yōu)于未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的膠料，且采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的膠料的硫化特性、物理性能和耐屈撓性能最優(yōu)，Payne效應(yīng)最弱，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能較好。

（2）與未經(jīng)過(guò)過(guò)濾的硫化膠相比，采用0.070 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾的硫化膠的拉伸強(qiáng)度提高33.0%，撕裂強(qiáng)度提高33.3%，平均龜裂等級(jí)降低3級(jí)。